ماهیت نیروی جاذبه چیست؟

گرانش، نیروی مرموزی است كه هرچند نظریه نسبیت عام اینشتین، آن‌را به خوبی توصیف می‌كند؛ اما منشا آن كماكان ناشناخته است. آیا می‌توان جهت‌گیری آرایش اطلاعات اجسام مادی را در فضا عامل گرانش دانست؟ 

محمود حاج‌زمان: اگرچه نیروی جاذبه ابتدا توسط قوانین نیوتن و سپس نسبیت عام اینشتین به خوبی توصیف شد، با این وجود ما هنوز نمی‌دانیم چگونه خواص بنیادین جهان با هم تركیب می‌شوند و این پدیده را ایجاد می‌كنند.

به گزارش نیوساینتیست، اریك ورلیند از دانشگاه آمستردام هلند، رویكرد جدیدی را برای توصیف نیروی جاذبه پیشنهاد كرده است. این فیزیكدان نظری و از تئوریسین‌های برجسته نظریه ریسمان، استدلال می‌كند كه جاذبه گرانشی ممكن است ناشی از جهت آرایش اطلاعات اجسام مادی در فضا باشد. وی می‌گوید: «از نظر من به عنوان یك فیزیكدان، این بسیار متقاعد كننده است.»

اولین، دوربردترین و تنهاترین
نخستین بار نیوتن با در نظر گرفتن جاذبه به عنوان نیروی بین اجسام، نشان داد كه جاذبه چطور در مقیاس‌های بزرگ عمل می‌كند. سپس اینشتین ایده‌های نیوتن را در نظریه نسبیت عام خود اصلاح كرد. وی نشان داد كه توصیف جاذبه به‌وسیله انحنای چارچوب فضا-زمان توسط یك جسم، بهتر انجام می‌شود. همه ما ازآن‌رو به سمت زمین كشیده می‌شویم كه جرم سیاره، چارچوب فضا-زمان پیرامون خود را خم كرده است.

اما این پایان ماجرا نیست. اگرچه نیوتن و اینشتین بینش عمیقی را برای درك نیروی جاذبه فراهم كردند، اما قوانین آنها تنها توصیف‌های ریاضی است. این نظریه‌ها تنها نحوه عملكرد جاذبه را تشریح می‌كنند، بدون این‌كه بگوید جاذبه از كجا می‌آید. فیزیكدانان نظری تلاش زیادی را برای ایجاد ارتباط بین نیروی جاذبه با دیگر نیروهای بنیادین شناخته شده جهان انجام داده‌اند. مدل استاندارد فیزیك كه بهترین چارچوب ما برای توصیف دنیای زیراتمی است، شامل نیروی الكترومغناطیسی و نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف است؛ اما نیروی جاذبه را دربر نمی‌گیرد.

بسیاری از فیزیكدانان نسبت به این‌كه مدل استاندارد فیزیك بتواند در برگیرنده نیروی جاذبه باشد، تردید دارند. نیروی گرانش را می‌توان بوسیله عملكرد ذرات فرضی گراویتون توصیف كرد، اما تاكنون مدركی دال بر وجود این ذرات به‌دست نیامده است. ضعف جنبه گرانشی نظریه‌های موجود، از دلایل اصلی ارائه تئوری‌های جدید مانند نظریه ریسمان و گرانش كوانتومی در دهه‌های اخیر بوده است.

آنتروپی، گرانش و هولوگرافی
كارهای ورلیند، رویكرد جدیدی را برای بررسی مساله گرانش پیشنهاد می‌كند. بنابر اعتقاد وی گرانش پدیده‌ای است كه از خواص بنیادین فضا و زمان ایجاد می‌شود.

برای درك نگرش پیشنهادی ورلیند، مفهوم سیالیت آب را در نظر بگیرید. مولكول‌های منفرد آب هیچ سیالیتی ندارند، اما مجموعه این مولكول‌ها در كنار یكدیگر خاصیت سیالیت آب را به وجود می‌آورد. به‌طور مشابه، نیروی گرانشی جزو خواص ذاتی مواد نیست. این نیرو یك اثر اضافی فیزیكی است كه از اندركنش جرم، فضا و زمان ایجاد می‌شود. ایده وی درباره نیروی جاذبه به عنوان یك نیروی آنتروپی، بر اصل اول ترمودینامیك استوار است كه در حوزه نامتعارفی از توصیف فضا-زمان كه هولوگرافی نامیده می‌شود، عمل می‌كند.

هولوگرافی در فیزیك نظری، دارای اصول مشابه برچسب هولوگرام موجود بر روی اسكناس است. در این روش تصاویر سه‌بعدی در یك سطح دوبعدی جا داده شده است. مفهوم هولوگرافی در فیزیك در دهه 1970، توسط استیفن و جاكوب بكنشتین توسعه یافت تا بتواند خواص سیاهچاله‌ها را توصیف كند. كارهای آنها به مفهومی منجر شد كه بر اساس آن، یك كره فرضی می‌تواند اطلاعات لازم را درباره جرم داخلش در خود ذخیره كند. در دهه 1990 میلادی / 1370 شمسی، هوفت و لئونارد ساسكیند از دانشگاه استنفورد پیشنهاد كردند كه این چارچوب می‌تواند به تمام جهان تعمیم داده شود. اصل هولوگرافیك پیشنهادی آنها در بسیاری از تئوری‌های بنیادین علم فیزیك مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ورلیند از این اصل هولوگرافیك استفاده كرد تا دریابد كه برای یك جرم كوچك، در فاصله مشخصی از یك جسم بزرگ‌تر مانند یك ستاره یا سیاره چه اتفاقی می‌افتد. وی نشان داد كه جابه‌جایی اندك این جسم كوچك به معنای تغییر محتوای اطلاعات یا آنتروپی در سطح هولوگرافیك فرضی بین دو جسم است. این تغییر اطلاعات با تغییرات انرژی سیستم مرتبط است.

ورلیند از اصول آماری برای درنظر گرفتن تمام حركات ممكن جرم كوچك و تغییرات انرژی مربوط به آن استفاده كرد. وی كشف كرد كه از نظر ترمودینامیكی، حركت جسم كوچك به سمت جسم بزرگ‌تر محتمل‌تر از سایر جابه‌جایی‌ها است. این اثر را می‌توان به صورت یك نیروی خالص كه هر دو جسم را به سمت یكدیگر می‌كشد، نگاه كرد. فیزیكدانان این را نیروی آنتروپی می‌نامند؛ زیرا از تغییرات محتوای اطلاعات سرچشمه می‌گیرد.

با ایجاد ارتباط بین محتوای انرژی و رابطه معروف اینشتین برای جرم و انرژی، قانون جاذبه نیوتن مستقیما استخراج می‌شود. این نسخه نسبیتی تنها گام كوچكی به جلو به حساب می‌آید و می‌تواند برای هر دو جسم اعمال شود. ورلیند می‌گوید: «یافتن مجدد قوانین نیوتن می‌تواند یك تطابق خوش‌یمن باشد.»

چرا كسی زودتر به این فكر نیفتاده بود؟
مقاله ورلیند ستایش برخی از فیزیكدانان را به دنبال داشته‌است. رابرت دیجگراف از ریاضی‌فیزیك‌دانان برجسته دنیا در دانشگاه آمستردام، ظرافت مفاهیم كار ورلیند را تحسین می‌كند. وی می‌گوید: «مساله تعجب‌آور این است كه هیچ كسی قبلا به این موضوع فكر نكرده است. این ایده بسیار ساده و متقاعد كننده به نظر می رسد.»

اما برخی از فیزیكدانان نظرات مخالفی دارند. برخی اعتقاد دارند كه ورلیند در استخراج معادلات خود، به دلیل اینكه از خود جاذبه شروع كرده، دچار استدلال دور شده است. برخی دیگر نیز نگرانی‌هایی را در خصوص ریاضیات ناچیز مورد استفاده ورلیند ابراز كرده‌اند.

استنلی دسر از دانشگاه برندایس ماساچوست، كه كارهایش باعث گسترش قلمرو نسبیت شده می‌گوید: «به‌نظر می‌رسد كار ورلیند یك راه امیدبخش است. اما كارهای وی تمام عقاید تعصب‌آمیز ما را درباره نیوتن و هوك تا اینشتین به چالش می‌كشد، چیزی كه قبول آن خیلی سخت است.»

ورلیند تاكید می‌كند كه مقاله وی تنها گام نخست در این موضوع است. وی می‌گوید: «ایده من هنوز در حد یك نظریه نیست، اما پیشنهادی برای برای یك الگو یا چارچوب جدید است. قسمت سخت كار تازه آغاز شده است.»